典型工业过程控制系统

刘玉长
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6.1.1 锅炉设备的工艺流程
热工过程控制工程
汽 包
炉 膛
热空气 燃料
燃料嘴
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负荷设备 调节阀
D PM
减温器
过热器
省 煤 器
过热蒸汽送 负荷设备
炉墙
热空气 送往炉膛 空气预热器
给水 冷空气
烟气 (经引风机送往烟囱)
组成：燃烧系统 蒸汽发生系统
燃烧系统：由送风机、 空气预热器、燃料系统、 燃烧室、烟道、除尘器 和引风机等组成
ΔD
H1(s) e f
D(s) s
H0
t ΔH1
式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃
响应曲线的斜率。
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(2)另一方面，蒸汽流量增加，导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅
炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾加剧，水中汽泡数量迅速增加， 汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加 (水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位 ”现象， 其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：
虚假 水位
H (s) e f K2
D(s) s T2s 1
理论 水位
ΔD ΔH2
H0
实际 水位
t
ΔH ΔH1
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蒸汽流量阶跃干扰下的 汽包水位响应曲线
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(二)锅炉汽包水位的控制方案
1、汽包水位的单冲量控制
如图所示为单冲量水位控制系统仪表 流程图。这里的冲量一词指的是变量，单 冲量即汽包水位。
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6.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动 力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油 锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅 炉。
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送汽轮机
给水
空气 煤 粉
一般要求在运行中，汽包水位 控制在正常值范围 （±30mm-- ±50mm ）。
刘影玉响汽长包水位H的主要因素？
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热工过程控制工程
汽包水位测量的重要性
水位过低 的危害？
锅炉
汽包水位过高的危害？
过热器
汽轮机
水冷壁 超温被 烧坏
水 冷 壁
燃料
空气
再热器 汽包
省煤器
凝汽器 空预器
锅炉的控制系统：（1）锅炉汽包水位控制 （2）锅炉燃烧系统控制 （3）过热蒸汽系统控制
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6.1.2 锅炉汽包水位的控制
被控变量：汽包水位，用H (s)表示； 控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示； 主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D (s)表示； 其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化； 通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。
压缩机
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热工单元自动控制的一般设计原则 ？
热工单元的作用：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程 热工单元自控要求： 使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合
预定的要求、条件下自动进行
实现热工单元自动控制的原则： 保证工艺质量指标 满足物料平衡条件 满足安全约束条件 提高机械效率和能源利用率
发电机
～
爆管
灰斗
空气
空气
去烟囱
刘玉长 锅炉水循环 效果变差
给水泵 10
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(一)汽包水位的对象特性
1、控制通道特性 当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始
不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其 传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的 串联：
H (s) e0 et s
ΔD
H2(s) K2
H0
ΔH2
D(s) T2s 1
t 式中K2、T2分别为只考虑水面下汽泡体
蒸汽流量突变时的 积变化所引起的水位变化的放大倍数和
刘玉“长虚假水位”
时间常数。
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蒸汽流量变化的反向特性
(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下， 为典型的“反向特性”。传递函数为：
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热工过程控Biblioteka Baidu工程
第6章 典型热工过程控制系统
6.1 锅炉设备的控制 6.2 流体输送设备的控制 6.3 传热设备的控制 6.4 化学反应器的自动控制
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典型热工单元有哪些？
热工设备 流体输送设备
传热设备 反应器
锅 炉 加热炉 离心泵 容积式泵 无相变 有相变 反应釜 流化床
结构简单，投资少。
适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的 场合(小型锅炉)。
为安全运行，可设置水位报警和联锁控 制系统。
但由于存在虚假水位的反向特性，误动 作、控制不及时
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 LC
单冲量控制系统
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2、汽包水位的双冲量控制
双冲量水位控制系统利 用蒸汽流量变化信号对给水量 进行补偿控制，从而不仅可以 消除或减小虚假水位现象对汽 包水位的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。
蒸汽发生系统：由给 水系统、省煤器、汽 包和过热器等组成。
高温烟气：经过热 器、省煤器预热给 水、过空气预热器 预热锅炉送风，经 引风机送往烟囱排 入大气。
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锅炉设备的控制问题
热工过程控制工程
负 荷
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量
锅炉设备
水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
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烟气
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火力发电厂之锅炉系统
系统分解
给水泵、除氧器、省煤 汽 器、锅桶、下降管、联 水 箱、水冷壁、过热器、
再热器、减温器等
燃 烧
燃烧器；送风机、炉膛、 烟道、除尘器、引风机、 烟囱等
燃 运
原煤场(仓)、给煤机、 输煤皮带、磨煤机、煤 粉仓、给粉机等
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锅炉系统热流工过程程控界制面工程
G(s) s
G
H t
t
式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间，
给水温度越低 ，t 越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在
100～200s之间。
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热工过程控制工程
2、干扰通道特性(蒸汽流量变化)
其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时：
(1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减 少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分 环节)：